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Biochips: Das kleinste Großlabor der Welt

Mit so genannten DNA-Chips entschlüsseln Forscher Krankheiten und entwickeln neue Medikamente. Das Fernziel lautet: für jeden Patienten die individuelle Therapie.


Zunächst sieht alles gut aus: Den meisten der etwa 25000 Menschen, die jedes Jahr an dem "diffuses großzelliges B-Zell-Lymphom" genannten Krebs erkranken, bringt die üb-liche Chemotherapie anfänglich Hilfe. Doch bei mehr als der Hälfte von ihnen kehrt der Krebs zurück und verläuft dann tödlich. Als Ursachen dieser Differenz vermuten Mediziner schon seit langem Varianten in den molekularen Veränderungen der entarteten Zellen. Bis vor zwei Jahren hatten sie aber keine Möglichkeit, jene Patienten mit der besonders bösartigen Krebsform auszumachen und dann mit einer intensiveren, aber auch riskanten Therapie zu behandeln. Erst ein neues Werkzeug der Molekularbiologie, der so genannte DNA-Chip, auch Mikroarray oder Biochip genannt, bietet einen Weg aus der Sackgasse.

Eine ganze Reihe von Unternehmen weltweit vertreibt mittlerweile solche Chips, Zubehör oder Computerprogramme für die Datenauswertung, denn seit ihrer Markteinführung 1996 haben sich DNA-Chips zu einem lukrativen Geschäft entwickelt: Sie helfen Wirkstoffe mit schädlichen Nebenwirkungen zu vermeiden, revolutionieren die Erkundung normaler und krankhafter Abläufe in Zellen und sollen eine genauere Diagnose ermöglichen. Noch ist es Zukunftsmusik, doch die Branche hofft, dass Chips eines Tages für jeden Patienten das optimale Medikament gegen seine jeweilige Krankheit finden werden.

Es gibt verschiedene Ausführungen, doch bei allen werden DNA-Fäden – und zwar einzelne Stränge, nicht die Doppelhelix – auf einem Träger nebeneinander gereiht, der oft nicht größer ist als eine Euro-Münze. Mit diesen Sonden fischt der Chip gezielt genetisches Material aus einer aufbereiteten Gewebeprobe. Dabei bedient er sich einer besonderen Eigenschaft unserer Erbsubstanz: der komplementären Basenpaarung.

In fast jeder menschlichen Zelle befinden sich über 30 000 Gene als Baupläne für Proteine. Der genetische Text ist die DNA, und seine Buchstaben sind ihre vier verschiedenen informationstragenden Bausteine Adenin, Cytosin, Guanin und Thymin, die üblicherweise mit A, C, G und T abgekürzt werden. Diese vier organischen Basen sind über ein Zucker-Phosphatrückgrat in einer ganz genau bestimmten Reihenfolge zu einer langen Kette verknüpft. Doch jede Base kann zusätzlich zu den festen Bindungen mit ihren beiden Nachbarn noch über so genannte Wasserstoffbrücken eine lockere Bindung mit einer weiteren Base eingehen. Dabei ist sie wählerisch. So bilden nur A mit T und C mit G solche Paare aus; man spricht von komplementären Basen. Deshalb paaren sich auch DNA-Stränge nur dann gut, wenn die jeweilige Abfolge von Basen komplementär zu der des anderen Stranges ist. Lautet die Sequenz einer Sonde auf dem Chip beispielsweise ATCGGC und bindet sich ein DNA-Stück aus einer Gewebeprobe daran, muss es folgerichtig die Sequenz TAGCCG tragen.

Freilich gehört dieses Prinzip längst zum Repertoire biologischer Testverfahren. Das Besondere an Biochips ist, dass sie Zehntausende derartiger Messungen gleichzeitig durchführen können. Jeder einzelne Sondentyp – das kann ein ganzes Gen oder ein kürzeres Stück Erbsubstanz sein – sitzt dabei an einer definierten Stelle auf einem schachbrettartigen Gitter. Die DNA-Moleküle der Lösung, die auf den Chip kommt, tragen einen Fluoreszenzfarbstoff oder eine andere Markierung. Was nicht am Chip haften bleibt, wird abgespült. Nachdem ein Detektor die Oberfläche auf Markierungen abgetastet hat, wandelt ein Computer-programm die Rohdaten – die Nummer der Gitterzelle mit beispielsweise der jeweiligen Intensität der Fluoreszenzstrahlung – in eine farbcodierte Darstellung um. Das klingt freilich einfacher, als es in der Praxis ist. Forscher weltweit arbeiten unter anderem an Verfahren, die Sonden fest und gleichmäßig verteilt in der Gitterzelle zu binden; gleichzeitig müssen sie verhindern, dass etwas davon auf den Glasträger gelangt und die Messung durch ein "Hintergrundrauschen" stört.

Grundlagenforscher vergleichen auf diese Weise die DNA auf dem Chip mit der in einer Probe und überprüfen so, welche Gene sich darin befinden, oder sie bestimmen mit bekannten Sonden die Reihenfolge der Basen in unbekannter Erbsubstanz. Den Vergleich von GenSequenzen nutzen Forscher sogar zum Vergleich verschiedener Organismen, um Hinweise auf deren Evolution zu finden. Und die Analyse von Tumoren sowie gesundem Gewebe lieferte eine Reihe feiner Unterschiede bezüglich der Zahl und Zusammenstellung kritischer Gene.

In nicht zu ferner Zukunft dürften DNA-Chips auch in der medizinischen Praxis zu Hause sein. Mit einem sorgfältig ausgewählten Arrangement könnte man zum Beispiel bei einem Patienten, dessen Grippe-ähnliche Symptome (wie Kopf- und Gliederschmerzen, hohes Fieber und Schwierigkeiten beim Atmen) auf keinen eindeutigen Erreger hinweisen, die genaue Krankheitsursache herausfinden. Die Oberfläche des Chips würde dazu mit DNA-Stücken besetzt, die nur zu Genen in Frage kommender Mikroorganismen passen, und ein medizinisches Laboratorium könnte etwa aus der Nasenschleimhaut des Patienten Erbsubstanz extrahieren und mit Markierungen für den Nachweis versehen. Bindet die Proben-DNA an die komplementäre auf dem Chip, verrät dies, welcher Erreger die Krankheit ausgelöst hat.

Mikroarrays können auch die genetisch bedingte Anfälligkeit eines Menschen für Krankheiten nachweisen. Verschiedene Personen unterscheiden sich in ihrer genetischen Anlage nur um einzelne DNA-Basen, so genannte SNPs (für single nucleotide polymorphisms, gesprochen "Snips"). Bestückt man den Chip mit DNA-Abschnitten aus Gen-Varianten, die Krankheiten auslösen können, lässt sich eine Wahrscheinlichkeit dafür angeben, dass ein Mensch eines Tages an Alzheimer, Diabetes oder bestimmten Krebsarten erkrankt.

Ein Chip verrät, ob sich eine Krankheit entwickelt

Verstärkte Kontrolle, intensive Vorsorge und falls nötig frühe Therapie könnten dem vorbeugen oder zumindest den Verlauf mildern. Zwar bergen solche Tests das Risiko eines Missbrauchs durch Arbeitgeber und Versicherer, in der Forschung sind sie aber bereits ein begehrtes Werkzeug. Jörg Hoheisel, Leiter der Abteilung "Funktionelle Genomanalyse" am Deutschen Krebsforschungszentrum (DKFZ) in Heidelberg, ist ein Pionier auf diesem Gebiet. Seine Doktorandin Simone Würtz entwickelte eine Technik, um Varianten im so genannten BRCA1-Gen aufzufinden, die Brustkrebs mitverursachen. Sie verankerte wie gehabt charakteristische Sequenzen solcher Gene auf dem Chip, fand aber nur eine geringe Empfindlichkeit der Messung. Das änderte sich, als sie so genannte Primer der Gene benutzte. Das sind kurze Starter-DNAs zum Kopieren der Stränge. Sie brachte jeweils nur eine Veränderung ein, und zwar immer am Ende der Sequenz. Damit gelang ein empfindlicher Varianten-Nachweis.

SNP-Chips können noch mehr. Es hängt nämlich von der Gen-Variante eines Patienten ab, wie sein Körper eine medizinische Substanz verarbeitet, und das heißt: ob sie hilft und welche Nebenwirkungen sie zeigt. Ein Chip, der die individuellen genetischen Schwachstellen verrät, könnte den Arzt bei der Auswahl jener Arznei unterstützen, die für den gerade zu behandelnden Patienten am wirkungsvollsten und zugleich am verträglichsten ist. Eine weitere Anwendung wären SNP-Chips, um genetische Veränderungen, die Tumoren besonders aggressiv machen, frühzeitig anzuzeigen. Pathologen könnten damit erkennen, welche Geschwulste trotz eines harmlos erscheinenden mikroskopischen Bildes in Wahrheit bösartig sind.

Nicht minder aufregend für die Forscher ist eine zweite wichtige Anwendung der DNA-Chips: das Erstellen so genannter Expressionsprofile. Diese zeigen an, welche Gene einer Zelle zum Zeitpunkt der Probenahme aktiv waren, das heißt zur Proteinsynthese abgelesen werden. Dabei erstellt die Zelle spezielle RNA-Kopien der Gene. Diese Boten-RNA-Moleküle dienen dann als Blaupau-sen für die Proteinsynthese. Erfreulicher-weise gilt das Prinzip der komplementären Basenpaarung auch für RNA-Moleküle. Ein Biochip kann also indirekt über die RNA-Kopien der Gene ermitteln, welche Proteine gerade gebraucht werden, und auch, in welcher Quantität: Je mehr RNA von einem Typ vorhanden ist, desto mehr entsprechende Eiweißmoleküle produziert die Zelle. Weil Proteine an den meisten biochemischen Vorgängen in der Zelle und in den Geweben beteiligt sind, verraten diese Daten viel über den Zustand und die Abläufe auf molekularbiologischer Ebene. Es gibt auch Versuche, den Proteinmix ohne den Umweg über die DNA zu erkunden, doch auf diesem Gebiet stehen die Entwickler solcher Chips noch am Anfang.

Der indirekte Weg führt dennoch zu wertvollen Resultaten. Indem Forscher die Genaktivität eines Zelltyps anhand schnappschussartiger Expressionsprofile verfolgen, erfahren sie beispielsweise, wie sich Zellfunktionen bei Krankheit oder durch Medikamente verändern. Und wenn Biologen ein Gewebe unterschiedlichen Bedingungen aussetzen, können sie anschließend anhand der dann wohl vorherrschenden Proteinsorten Rückschlüsse darauf ziehen, wie die Zellverbände normalerweise Störungen ausgleichen, und was schief geht, wenn sich eine Krankheit entwickelt

Gleichzeitig eignen sich DNA-Chips besser als andere Methoden dazu, die Funktion noch ganz unbekannter Gene zu erkunden, die im Rahmen des Humangenom-Projektes auf der menschlichen DNA durch Sequenzanalyse gefunden wurden. Wenn als Reaktion auf eine Veränderung – wie zum Beispiel ein Medikament, eine Infektion oder eine erzwungene Mutation – eine Reihe von Genen gemeinsam an- oder abgeschaltet werden, sind sie vermutlich an den gleichen Regulationsmechanismen der Zelle beteiligt. Das gilt auch für ein unbekanntes Gen in diesem Sortiment.

Bei der Entwicklung von Arzneistoffen suchen Forscher auf diese Weise nach bislang nicht entdeckten Proteinen, die an Krankheitsprozessen beteiligt sind. Einmal gefunden gelten sie als mögliche Ziele für neue und womöglich bessere Wirkstoffe. So fahndete zum Beispiel Peter S. Linsley von Rosetta Inpharmatics nach Angriffszielen für Medikamente gegen Entzündungen, die ein fehlgeleitetes Immunsystem verursacht. Er konzentrierte sich auf Gene in den weißen Blutkörperchen, die gleichzeitig mit dem Gen für das Protein Interleukin-2 (IL-2) aktiviert werden. Das ist nämlich höchstwahrscheinlich an solchen Auto-immunkrankheiten beteiligt.

Ein Computerprogramm analysierte Expressionsprofile weißer Blutkörperchen, die Linsley verschiedenen chemischen Substanzen ausgesetzt hatte. Das Resultat: eine Liste von Genen, die zusammen mit dem IL-2-Gen an- und abgeschaltet wurden, darunter eines, dessen Funktion bislang noch unklar war. Zur gleichen Zeit bestätigten Forscher vom Pariser Pasteur-Institut mit einer anderen Methode, dass dieses Gen an denselben Vorgängen wie IL-2 beteiligt ist. Insgesamt scheint es ein geeigneter Angriffspunkt für Medikamente zu sein.

Auf der Suche nach besseren Verfahren zur Diagnose von chronisch lymphatischen B-Zell-Leukämien verzichten Peter Lichter vom Institut für Molekulare Genetik des DKFZ und Hartmut Döhner vom Institut für Innere Medizin III der Universität Ulm auf Boten-RNAs und verwenden die "genomische Hybridisierung", das heißt, sie geben die komplette, markierte Erbsubstanz des Tumors auf fixierte DNA-Sonden. Typisch für Tumoren ist nämlich oft, dass es von bestimmten Genen eine ungewöhnlich hohe Zahl von Kopien auf einem Chromosom der Krebszelle gibt. Für die genannte Form der Leukämie wurden zehn solcher Gene identifiziert. Bringt man die komplementären Sequenzen auf den Chip, wird veränderte Tumor-DNA sich daran häufiger binden als an Kontroll-Sonden. Unter dem Scanner leuchten diese Punkte dann heller. Einen solchen Chip herzustellen und auszuwerten ist wesentlich komplexer als die Analyse von Expressionsprofilen.

Pharmazeuten nutzen die einfachere Methode: Sie sondern damit aus der Vielzahl potenzieller Wirkstoffe jene Kandidaten aus, die vermutlich unerwünschte oder gar nicht zumutbare Nebenwirkungen hätten.

Fragen Sie Ihren Arzt oder Chip

Um beispielsweise zu prüfen, ob ein Kandidat das Herz schädigen würde, können die Forscher zunächst Expressionsprofile von Herzzellen anlegen, die unterschiedlichen Medikamenten und bekannten toxischen Verbindungen ausgesetzt waren. Behandeln sie dann Herzzellen mit dem fraglichen Wirkstoff, können sie das resultierende Aktivitätsmuster mit denen der Datenbank vergleichen. Ähnliche Muster sprechen für ähnliche Effekte.

Zugleich lässt sich so ergründen, warum ein Medikament bestimmte Nebenwirkungen hat. Eine drängende aktuelle Frage ist etwa, warum Protease-Inhibitoren, die das Leben von HIV-infizierten Menschen retten, außerdem leider die Konzentrationen von Cholesterin und Triglyceriden im Blut erhöhen, das Körperfett auf seltsame Weise umverteilen und eine Resistenz gegen Insulin hervorrufen können. Vor dem Hintergrund, dass die Leber die Produktion und den Abbau von Lipiden (zu denen auch Cholesterin und Triglyceride gehören) und lipidhaltigen Proteinen beeinflusst, untersuchten wir mit anderen Wissenschaftlern von Rosetta Inpharmatics sowie Roger Ulrich und seinem Team an den Abbott Laboratories, ob der Protease-Inhibitor Ritonavir einige seiner Nebenwirkungen über diesen Weg hervorruft.

Mit einem Chip, der rund 25000 Ratten-Gene trug, stellten wir Expressionsprofile her, welche die Auswirkungen eines ganzen Sortiments von leberschädigenden Substanzen repräsentierten. Wir sortierten die verursachenden Stoffe nach der Ähnlichkeit ihrer Profile in Gruppen, wobei wir uns an etwa 2400 Genen orientierten, die sehr stark reagiert hatten. Dann behandelten wir Rattenleber mit Ritonavir und verglichen das resultierende Expressionsprofil mit unserer Sammlung.

Wir stellten fest, dass Ritonavir die Aktivierung von Genen bewirkt, die für gewöhnlich durch die Wirkung eines gut bekannten lipidsenkenden Mittels gedämpft sind. Außerdem senkt es die Produktion von Proteinen, aus denen normalerweise Proteosome (SdW 5/2001, S. 54) aufgebaut sind – Zellstrukturen, die nutzlos gewordene Proteine abbauen. Nach diesen Ergebnissen liegt der Schluss nahe, dass Ritonavir den Lipidspiegel in der Leber (und damit auch im Blut) zum Teil da-durch anhebt, dass es die Lipidsynthese in der Leber fördert und den Abbau lipidhaltiger Proteine unterdrückt. Noch sind Details unklar, doch wir hoffen, die Nebenwirkungen des wichtigen Medikaments bald reduzieren zu können.

Mehr Wirkstoffe und weniger Nebeneffekte – das wären schon große Erfolge für die Arbeit mit den kleinen Chips. Tatsächlich gibt es noch größere Versprechen: schnelle diagnostische Hilfsmittel, die Patienten mit ähnlichen Symptomen in Gruppen einteilen, die dann auf spezifische Weise behandelt würden. Wie die eingangs erwähnte Lymphom-Studie zeigt, benötigen vor allem Krebsspezialisten dringend Techniken, um jene Patienten herauszufinden, die von Anfang an eine aggressive Therapie brauchen.

Unsere Arbeitsgruppe hat zusammen mit Kollegen vom niederländischen Krebsinstitut in Amsterdam für die Brustkrebsforschung gezeigt, wie Expressionsprofile auf Biochips dazu beitragen können. Ein Test sollte klären: Welche jungen Patientinnen mit Brustkrebs in frühen Stadien (also ohne Befall der Lymphknoten) sollten sich nach der Operation einer Chemotherapie unterziehen, um die Bildung von Metastasen zu verhindern, und welche nicht? Denn obwohl heutzutage rund 90 Prozent der Patientinnen eine Chemotherapie bekommen, ist dies bei schätzungsweise 70 bis 80 Prozent von ihnen unnötig. Unglück-licherweise lassen sich die Risikofälle bislang nicht zuverlässig erkennen.

Wir begannen damit, Expressionsprofile der Tumoren von fast hundert Frauen aufzunehmen, deren Krankengeschichte mehr als fünf Jahre lang nach der Operation verfolgt worden war. Anfangs umfasste unser Chip 25000 menschliche Gene, doch zum Schluss hatten wir eine bestimmte Signatur von etwa siebzig Genen eingekreist, die ziemlich sicher anzeigte, dass es Metastasen geben würde. Das entgegengesetzte Profil sprach zudem stark für einen guten Verlauf. Offensichtlich sind einige Tumoren darauf "programmiert" zu metastasieren, noch bevor sie die Größe eines Pfennigs erreichen, während manche größere Tumoren harmlos bleiben.

Unsere Ergebnisse müssen erst noch von anderen Arbeitsgruppen bestätigt werden, bevor die Analyse von Expressionsprofilen, mit DNA-Chips gewonnen, zum Standardverfahren bei Brustkrebs wird. Voraussichtlich werden viele medizinische Zentren innerhalb der nächsten zwei Jahre beginnen, Expressionsprofile als Hilfe bei der Suche nach einer passenden Therapie zu testen – nicht nur gegen Brustkrebs, sondern auch bei anderen Tumoren. Diese Technik könnte zudem bei der Gruppierung von Patienten mit Asthma, Diabetes oder Fettleibigkeit helfen, die individuell behandelt werden sollten.

Literaturhinweise


Experimental Annotation of the Human Genome using Microarray Technology. Von D.D. Shoemaker et al. in: Nature, Bd. 409, S. 922, 2001.

Genomics, Gene Expression and DNA Arrays. Von David Lockhart und Elizabeth Winzeler in: Nature, Bd. 405, S. 827, 2000.


Stichwort


Biochips können Zehntausende DNA-Frag-mente auf engstem Raum tragen. Jedes einzelne fischt als ganz spezifische Sonde passende Stücke von DNA oder RNA aus einer Gewebeprobe. Die Chips weisen so Gene in der Probe nach oder messen deren Aktivität.

Diese Kenntnis soll dabei mithelfen, kom-plexe Krankheiten wie Krebs besser zu verstehen und wirksame Medikamente mit weniger Nebenwirkungen zu entwickeln. Außerdem werden Chips als Werkzeuge für eine schnelle Diagnose und die Wahl der richtigen Therapieform erwogen.

Auch Protein-Chips für die biologische Forschung und die medizinische Diagnose sind in der Entwicklung. Ein wichtiges Ziel der Forschung an molekularen Chips ist die individuelle, auf den Patienten abgestimmte Therapie.

Aus: Spektrum der Wissenschaft 6 / 2002, Seite 62
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH

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